專利名稱：一種用于無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場差分避障系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無人機(jī)巡檢高壓帶電電力線路時(shí)的避障領(lǐng)域，尤其涉及一種用于無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場差分避障系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
近年來，我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展對(duì)我國電力工業(yè)提出了越來越高的要求。我國目前已形成華北、東北、華東、華中、西北和南方電網(wǎng)共6個(gè)跨省區(qū)電網(wǎng)，500千伏線路已成為各大電力系統(tǒng)的骨架和跨省、跨地區(qū)的聯(lián)絡(luò)線，電網(wǎng)發(fā)展滯后的矛盾基本得到緩解。由于我國國土遼闊，地形復(fù)雜，為了安全和可靠地供電，巡線維護(hù)自動(dòng)化和現(xiàn)代化已日益顯示出其迫切性。采用無人機(jī)空中作業(yè)進(jìn)行電力巡線，能夠克服利用有人駕駛的直升機(jī)進(jìn)行巡線的維護(hù)費(fèi)用昂貴、安全問題突出等弊端，但由于無人機(jī)GPS導(dǎo)航存在誤差，巡檢飛行時(shí)可能遇到陣風(fēng)過大，以及無人機(jī)的飛行高度不夠等因素會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)的過程中可能會(huì)出現(xiàn)偏離預(yù)定航向的情況，存在造成無人機(jī)與輸電線路或其他障礙物發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)。山、樹木、鐵塔等其他障礙物體積較大，通過無人機(jī)實(shí)時(shí)傳回地面站的視頻即能夠識(shí)別；但由于輸電導(dǎo)線線徑小，視頻很難識(shí)別，為了保障無人機(jī)巡線系統(tǒng)及輸電線路的安全，提升巡線作業(yè)的可靠性，有必要實(shí)現(xiàn)無人機(jī)對(duì)輸電導(dǎo)線的避障。利用無人機(jī)搭載超聲波測距、紅外測距和激光測距設(shè)備對(duì)輸電導(dǎo)線進(jìn)行檢測，由于導(dǎo)線線徑小，其檢測正確率較低；微波雷達(dá)測距設(shè)備可進(jìn)行精確檢測，但其天線體積較大，且設(shè)備整體重量大，選擇該設(shè)備會(huì)影響到無人機(jī)上檢測等其他設(shè)備的安裝和搭載。根據(jù)帶電導(dǎo)線周圍電磁場環(huán)境的特殊性，可利用導(dǎo)線間距與電磁場強(qiáng)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過 數(shù)據(jù)計(jì)算處理，以及與無人機(jī)飛控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互和判斷，來確定是否需要進(jìn)行避障動(dòng)作，該方法適用于電力巡線無人機(jī)在對(duì)輸電線路巡查時(shí)對(duì)帶電導(dǎo)線的規(guī)避。目前，國內(nèi)外對(duì)高壓輸電導(dǎo)線電磁環(huán)境的研究和分析已取得了一定的成果，但主要的研究方向是高壓輸電導(dǎo)線電磁環(huán)境對(duì)離地2m范圍內(nèi)人體和線路查修維護(hù)等接觸高壓輸電導(dǎo)線的工作人員的影響，以及對(duì)地面部分電子儀器等的干擾情況。高壓輸電導(dǎo)線電磁環(huán)境對(duì)于有人機(jī)、無人機(jī)的影響還停留在文字說明和概述分析的層面，尤其對(duì)利用導(dǎo)線間距與電磁場強(qiáng)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過數(shù)據(jù)計(jì)算處理確定無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線時(shí)是否需要避障動(dòng)作相關(guān)的研究，僅在專利申請(qǐng)?zhí)枮?01120124969. I的專利《電力巡線無人直升機(jī)超低空飛行障礙規(guī)避子系統(tǒng)》中有以下描述“根據(jù)電力巡線無人機(jī)巡查目標(biāo)一輸電線路的特殊性，設(shè)計(jì)了根據(jù)電磁場強(qiáng)度的探測來判斷與輸電線路距離這一具有針對(duì)性、獨(dú)特性、創(chuàng)造性的測距方法。此方法的特性是距離輸電線路越近，測距精度越高，可達(dá)厘米甚至毫米級(jí)別，尤其適用于電力巡線無人機(jī)在對(duì)輸電線路巡查時(shí)對(duì)輸電線路的規(guī)避。通過將不同電壓等級(jí)的輸電導(dǎo)線周圍磁場的變化做仿真計(jì)算，其計(jì)算分析可精確到厘米級(jí)，由此可獲取導(dǎo)線周圍的磁場分布，從而可通過預(yù)處理檢測到的磁場強(qiáng)度，即與仿真結(jié)果對(duì)比，可進(jìn)行位置檢測和判斷，在檢測到與輸電導(dǎo)線距離小于某定值時(shí)，可強(qiáng)制改變飛行方向，以避免無人機(jī)與輸電導(dǎo)線的碰撞，避免事故發(fā)生?！爆F(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)I)現(xiàn)有技術(shù)是通過檢測飛機(jī)所處位置的磁場強(qiáng)度的變化與仿真結(jié)果對(duì)比，進(jìn)而進(jìn)行對(duì)位置檢測和判斷。在輸電線路實(shí)際運(yùn)行時(shí)，電壓大小基本保持在指定的電壓等級(jí)水平，但電流的大小是隨著負(fù)載的變化而實(shí)時(shí)變化的，因而磁場強(qiáng)度的數(shù)值也隨之實(shí)時(shí)變化，不具有測量判斷的可依據(jù)性。這種檢測方法所得的結(jié)果很不準(zhǔn)確。2)現(xiàn)有技術(shù)中提及“現(xiàn)場測量”，但未提供測量裝置(包括裝置構(gòu)成和安裝位置)、測量方法、數(shù)據(jù)處理方法和判斷依據(jù)。3)現(xiàn)有技術(shù)中提及用于參照的“仿真計(jì)算數(shù)值”，但未提供用于對(duì)比判斷的各電壓 等級(jí)線路的仿真計(jì)算結(jié)果，不具有實(shí)用性。4)現(xiàn)有技術(shù)中未描述用于說明方法可行性的應(yīng)用實(shí)例。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為解決上述問題，提供一種用于無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場差分避障裝置及方法，它主要實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)對(duì)輸電導(dǎo)線的避障，避免了無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線時(shí)，由于GPS導(dǎo)航誤差，陣風(fēng)過大，或飛行高度不夠?qū)е聢?zhí)行任務(wù)的過程中出現(xiàn)偏離預(yù)定航向，導(dǎo)致無人機(jī)與輸電線路碰撞情況的發(fā)生，保障了無人機(jī)巡線系統(tǒng)及輸電線路的安全，提升巡線作業(yè)的可靠性，保證人身、電網(wǎng)和設(shè)備的安全。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種用于無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場差分避障系統(tǒng)，它包括巡檢無人機(jī)，在無人機(jī)上設(shè)有電場壁障裝置，該裝置包括DSP數(shù)據(jù)處理模塊，兩路完全相同的電場測量回路，各電場測量回路包括依次連接的電場測量傳感器、信號(hào)處理單元和A/D轉(zhuǎn)化單元，A/D轉(zhuǎn)化單元與DSP數(shù)據(jù)處理模塊輸入端連接，DSP數(shù)據(jù)處理模塊輸出端與機(jī)載飛控系統(tǒng)連接。所述機(jī)載飛控系統(tǒng)包括飛控系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)，它分別與數(shù)字羅盤、三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、衛(wèi)星定位模塊、氣壓高度計(jì)、轉(zhuǎn)速測量傳感器、PCM遙控接收機(jī)、舵機(jī)控制器、數(shù)傳電臺(tái)，舵機(jī)控制器與伺服舵機(jī)連接，數(shù)傳電臺(tái)則與地面站通信。所述電場避障裝置整體要處在巡檢無人機(jī)機(jī)體正下方中央位置，兩路電場測量回路左右對(duì)稱安裝。一種采用用于無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場差分避障系統(tǒng)的避障方法，步驟一巡檢無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線時(shí)，機(jī)身與輸電導(dǎo)線方向基本平行，以保證兩個(gè)電場強(qiáng)度數(shù)值差值的有效；記兩電場測量傳感器的安裝間距為1，并輸入DSP數(shù)據(jù)處理模塊中；電場測量傳感器將所測電場強(qiáng)度數(shù)值輸入信號(hào)處理單元，提取工頻范圍內(nèi)的電場強(qiáng)度數(shù)值后送入DSP數(shù)據(jù)處理模塊中；步驟二 根據(jù)電場避障裝置中電場測量傳感器采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行避障指令的判斷；具體過程為在某一時(shí)刻，兩電場測量傳感器測得數(shù)值經(jīng)處理轉(zhuǎn)化后分別記為m、m’，輸入DSP數(shù)據(jù)處理模塊，DSP數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行如下判斷
權(quán)利要求
1.一種用于無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場差分避障系統(tǒng)，它包括巡檢無人機(jī)，其特征是，在無人機(jī)上設(shè)有電場壁障裝置，該裝置包括DSP數(shù)據(jù)處理模塊，兩路完全相同的電場測量回路，各電場測量回路包括依次連接的電場測量傳感器、信號(hào)處理單元和A/D轉(zhuǎn)化單元，A/D轉(zhuǎn)化單元與DSP數(shù)據(jù)處理模塊輸入端連接，DSP數(shù)據(jù)處理模塊輸出端與機(jī)載飛控系統(tǒng)連接。
2.如權(quán)利要求I所述的用于無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場差分避障系統(tǒng)，其特征是，所述機(jī)載飛控系統(tǒng)包括飛控系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)，它分別與數(shù)字羅盤、三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、衛(wèi)星定位模塊、氣壓高度計(jì)、轉(zhuǎn)速測量傳感器、PCM遙控接收機(jī)、舵機(jī)控制器、數(shù)傳電臺(tái)，舵機(jī)控制器與伺服舵機(jī)連接，數(shù)傳電臺(tái)則與地面站通信。
3.如權(quán)利要求I所述的用于無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場差分避障系統(tǒng)，其特征是，所述電場避障裝置整體要處在巡檢無人機(jī)機(jī)體正下方中央位置，兩路電場測量回路左右對(duì)稱安裝。
4.ー種采用權(quán)利要求I所述的用于無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場差分避障系統(tǒng)的避障方法，其特征是， 步驟一巡檢無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線時(shí)，機(jī)身與輸電導(dǎo)線方向基本平行，以保證兩個(gè)電場強(qiáng)度數(shù)值差值的有效；記兩電場測量傳感器的安裝間距為I，并輸入DSP數(shù)據(jù)處理模塊中；電場測量傳感器將所測電場強(qiáng)度數(shù)值輸入信號(hào)處理單元，提取エ頻范圍內(nèi)的電場強(qiáng)度數(shù)值后送入DSP數(shù)據(jù)處理模塊中； 步驟ニ 根據(jù)電場避障裝置中電場測量傳感器采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行避障指令的判斷；具體過程為在某ー時(shí)刻，兩電場測量傳感器測得數(shù)值經(jīng)處理轉(zhuǎn)化后分別記為m、m’，輸入DSP數(shù)據(jù)處理模塊，DSP數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行如下判斷 輸出“安全”指令； 輸出“避障”指令； 其中，C為電場強(qiáng)度變化率的限值。
5.控制指令是由DSP數(shù)據(jù)處理模塊輸出給機(jī)載飛控系統(tǒng)，從而控制無人機(jī)機(jī)體進(jìn)行下ー步動(dòng)作，指令為“安全”吋，繼續(xù)當(dāng)前飛行任務(wù)；指令為“避障”時(shí)，先將無人機(jī)懸停，通過實(shí)時(shí)傳回的視頻判斷發(fā)出“原路返航”或“臨時(shí)調(diào)整路線”的指令。
6.如權(quán)利要求4所述的避障方法，其特征是，利用仿真計(jì)算，對(duì)輸電導(dǎo)線建立電場計(jì)算模型，進(jìn)而進(jìn)行仿真計(jì)算得到的距離輸電線路一定距離位置電場強(qiáng)度變化率的數(shù)值，設(shè)定一個(gè)電場強(qiáng)度變化率的限值，仿真得出，對(duì)220kV、500kV、750kV、IOOOkV輸電導(dǎo)線分別對(duì)應(yīng)C220=29，C500=56，C750=77，C1000=81。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場差分避障系統(tǒng)及方法，它包括巡檢無人機(jī)，在無人機(jī)上設(shè)有電場壁障裝置，該裝置包括DSP數(shù)據(jù)處理模塊，兩路完全相同的電場測量回路，各電場測量回路包括依次連接的電場測量傳感器、信號(hào)處理單元和A/D轉(zhuǎn)化單元，A/D轉(zhuǎn)化單元與DSP數(shù)據(jù)處理模塊輸入端連接，DSP數(shù)據(jù)處理模塊輸出端與機(jī)載飛控系統(tǒng)連本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)對(duì)輸電導(dǎo)線的避障，避免了無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線時(shí)，由于GPS導(dǎo)航誤差，陣風(fēng)過大，或飛行高度不夠?qū)е聢?zhí)行任務(wù)的過程中出現(xiàn)偏離預(yù)定航向，導(dǎo)致無人機(jī)與輸電線路碰撞情況的發(fā)生，保障了無人機(jī)巡線系統(tǒng)及輸電線路的安全，提升巡線作業(yè)的可靠性，保證人身、電網(wǎng)和設(shè)備的安全。
文檔編號(hào)G01R29/00GK102736632SQ20121022243
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者劉俍, 張晶晶, 王濱海, 王騫, 鄭天茹, 陳西廣 申請(qǐng)人:山東電力集團(tuán)公司電力科學(xué)研究院